KR101470320B1 - Functional coating structure for wear and friction reduction and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은,서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조에 있어서, 탄성을 갖는 연질 재료로 구성되며 상기 구조물 표면에 코팅되는 연질코팅층과; 상기 연질코팅층보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성되며 상기 연질코팅층 상부에 코팅되는 경질코팅층;으로 구성되되, 상기 경질코팅층에는 두 구조물 간의 접촉에 따른 연질코팅층의 탄성 변형시 이에 함께 연동하여 상기 경질코팅층의 원활한 탄성 변형이 이루어질 수 있도록 상기 경질코팅층을 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열된 다수의 개별 파트(part)들로 분리하는 기능성 분리공간이 형성된 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a functional coating structure and method for friction and wear reduction between two structures that are in relative motion in contact with each other. To this end, the present invention provides a functional coating structure for reducing friction and abrasion between two structures contacting each other and performing relative motion, the functional coating structure comprising: a soft coating layer formed of a soft material having elasticity and coated on the surface of the structure; The hard coating layer is composed of a hard material having a hardness higher than that of the soft coating layer and is coated on the soft coating layer. The soft coating layer is interlocked with the soft coating layer due to the contact between the two structures, The hard coating layer is formed in a functional separation space having a predetermined cross-sectional shape and separating into a plurality of individual parts arranged in an array form so that the elastic coating can be smoothly deformed.

Description

마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 및 그 방법{Functional coating structure for wear and friction reduction and method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a functional coating structure for reducing friction and wear,

본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a functional coating structure and method for friction and wear reduction between two structures that are in relative motion in contact with each other.

일반적으로, 서로 접촉한 상태에서 상대운동을 하는 두 구조물 사이의 마찰 마모 특성을 향상시키기 위하여 구조물 표면에 박막 코팅(thin coating)을 형성하는 방법이 많이 사용되고 있다. 이러한 박막 코팅의 재료로 경질 재료(hard material)를 사용하는 경우, 코팅층의 강도 증가로 인해 마모 현상이 적게 발생될 것으로 생각하기 쉽지만, 이러한 경질 재료는 전단 응력(shear stress)이 높기 때문에 마찰력이 높게 생성되어 표면 마모를 가속시킬 수 있다. 이와 반대로, 박막 코팅 재료로 연질 재료(soft material)를 사용하는 경우에는 전단 응력(shear stress)이 낮기 때문에 경질 재료를 사용하는 경우보다 마찰력이 낮게 생성될 수 있지만 코팅층의 강도가 낮기 때문에 하중이 집중될 경우 코팅층이 파손되어 마모 현상이 증가 될 수 있다. 이처럼 구조물 표면의 박막 코팅시 경질 재료나 연질 재료를 사용하는 경우 마찰 및 마모 측면에서 각각의 장단점을 갖게 되는 것이 일반적이다. In general, a method of forming a thin coating on the surface of a structure is widely used in order to improve the frictional wear characteristics between two structures performing relative motion in contact with each other. When a hard material is used as the material of the thin film coating, it is easy to think that wear phenomenon will be reduced due to increase in strength of the coating layer. However, since such a hard material has a high shear stress, Can be generated to accelerate surface wear. On the other hand, when a soft material is used as a thin film coating material, frictional force may be lower than that of a hard material because of low shear stress. However, since the strength of the coating layer is low, The coating layer may be broken and the abrasion phenomenon may be increased. In this way, when a thin film is coated on the surface of a structure, hard and soft materials generally have advantages and disadvantages in terms of friction and wear.

이와 같이 구조물 표면에 코팅되는 재료의 특성에 따라 마찰 마모 저감 측면에서 서로 다른 장단점을 보이기 때문에, 종래에는 이러한 구조물 표면에 서로 다른 특성의 재료를 함께 사용하여 마찰과 마모 특성을 향상시키는 연구가 많이 진행되어 왔다. 이와 관련된 기존의 논문으로는, "A novel approach to wear reduction of micro-components by synthesis of carbon nanotube-silver composite coating, Dae-Eun Kim, Chang Lae Kim, Hyun-Joon Kim, CIRP Annals-Manufacturing Technology 60 (2011) 599-602"가 있다. 이 논문에서 소개된 내용을 보면, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 위에 높은 강도를 가지는 경질 재료인 CNT(Carbon Nano Tube) 코팅과 연질 재료인 은(silver) 코팅을 결합시켜 실험한 결과, 은 코팅이나 CNT 코팅 한 가지만 사용하였을 경우보다 두 가지의 서로 다른 물질을 결합시킨 경우에 낮은 마찰계수와 낮은 마모율을 보인다는 것을 실험을 통해 확인하였다.In this way, different strengths and weaknesses are exhibited in terms of reduction in friction and wear depending on the characteristics of the material coated on the surface of the structure. Therefore, in the past, researches for improving the friction and abrasion characteristics have been made Has come. In this paper, we propose a novel method for the fabrication of carbon nanotube-silver composite coatings. 2011) 599-602. In this paper, we have investigated the combination of CNT (Carbon Nano Tube), a hard material with high strength on a silicon wafer, and silver coating, Experimental results show that when two kinds of different materials are combined with each other, low friction coefficient and low wear rate are obtained.

도 1은 위의 논문에 소개된 은(Ag) 단독 코팅과 CNT-Ag 이중 코팅(dual coating) 효과를 비교 도시한 것이다. 도 1의 (a)에서 보인 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 표면에 연질 재료인 은(Ag)이 단독 코팅된 경우에는 상부 구조물과의 접촉시 마찰로 인해 무른 재질의 코팅 표면이 쉽게 뜯겨져 나가는 현상이 발생되는 반면, 도 1의 (b)와 같은 경질 재료와 연질 재료가 결합된 CNT-Ag 이중 코팅 구조의 경우에는 경질 재료인 CNT에 의한 앵커링(anchoring) 효과에 의해 마찰 마모가 저감되는 것을 볼 수 있다.FIG. 1 shows a comparison between the silver (Ag) single coating and the CNT-Ag dual coating effect shown in the above paper. As shown in FIG. 1 (a), when silver (Ag), which is a soft material, is coated on the surface of a silicon wafer, a coating surface of a soft material easily tears off due to friction during contact with the upper structure On the other hand, in the case of the CNT-Ag double coating structure in which the hard material and the soft material are combined as shown in FIG. 1 (b), the frictional wear is reduced by the anchoring effect caused by the hard material CNT .

한편, 또 다른 논문(Friction and wear characteristics of C/Si bi-layer coatings deposited on silicone substrate by DC magnetron sputtering, Oleksiy V. Penkov, Yegor A. Bugayev, Igor Zhuravel, Valeriy V. Kondratenko, Auezhan Amanov, Dae-Eun Kim, Tribol Lett (2012) 48 : 123-131)에서는 실리콘 웨이퍼 위에 연질 재료인 비정질 카본(amorphous carbon)을 코팅하고 그 위에 경질 재료인 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 코팅한 이중 코팅 구조의 경우, 마찰 마모 저감 특성이 비정질 카본 또는 비정질 실리콘만을 단독 코팅한 경우에 비하여 낮은 마찰 계수와 낮은 마모율을 가진다는 사실이 실험적으로 확인되었다. In addition, another paper (Friction and wear characteristics of C / Si bi-layer coatings deposited on silicon substrate by DC magnetron sputtering, Oleksiy V. Penkov, Yegor A. Bugayev, Igor Zhuravel, Valeriy V. Kondratenko, Auezhan Amanov, Dae- Eun Kim, Tribol Lett (2012) 48: 123-131) discloses a dual coating structure in which amorphous carbon, which is a soft material, is coated on a silicon wafer and amorphous silicon is coated on the amorphous silicon, It has been experimentally confirmed that the friction and wear reduction characteristics have a lower friction coefficient and a lower wear rate than the case where only amorphous carbon or amorphous silicon is coated alone.

도 2는 위와 같은 내용을 도식적으로 설명하는 개념도로서, 기판(substrate) 표면에 상부 구조물을 통해 수직 하중을 주면서 마찰을 발생시킨 후 수직 하중을 제거하였을 때에, (a)연질 재료인 비정질 카본을 코팅한 경우와, (b)경질 재료인 비정질 실리콘을 코팅한 경우, 그리고 (c)상기 2개의 서로 다른 물질을 함께 코팅한 경우에 대한 각각의 코팅 표면의 형상을 보여주고 있다. 도 2의 비교 결과와 같이, 기판 위에 연질 재료인 비정질 카본과 경질 재료인 비정질 실리콘이 순차적으로 적층된 이중 코팅 구조(c)가, 연질 재료인 비정질 카본만으로 코팅되거나(a) 또는 경질 재료인 비정질 실리콘만으로 단독 코팅된 구조(b)보다 낮은 마찰 계수와 낮은 마모율을 나타내는 것을 볼 수 있다. FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating the above description. When friction is generated by applying a vertical load to the surface of a substrate through a superstructure and then a vertical load is removed, (a) the amorphous carbon, which is a soft material, (B) coating amorphous silicon, which is a hard material, and (c) coating the two different materials together. As shown in the comparison result of Fig. 2, the double coating structure (c) in which amorphous carbon, which is a soft material and amorphous silicon, which is a hard material, are sequentially laminated on a substrate is coated with only amorphous carbon, which is a soft material, It can be seen that it exhibits lower friction coefficient and lower wear rate than structure (b) which is solely coated with silicon alone.

그러나, 상기와 같이 연질 재료 및 경질 재료가 구조물 표면에 함께 코팅된 이중 코팅 구조가 연질 또는 경질의 단일 재료로 단독 코팅된 구조보다 우수한 마찰 마모 특성을 보이지만, 이러한 이중 코팅 구조의 경우에도 도 3에 보인 것처럼, 서로 상대운동하는 상부 구조물(20)로부터 인가되는 수직하중에 의해 코팅 표면에 변형이 발생될 경우, 경질 재료로 구성된 상부 코팅층(14)이 연질 재료로 구성된 하부 코팅층(12)의 변형을 온전하게 따라가지 못하게 되어 상부 구조물(20)과 접촉되는 상부 코팅층(14) 부분에 크랙(crack)이 발생되어 코팅층의 파손을 유발하는 문제가 있고, 특히, 상부 코팅층(14)의 변형과정에서 수평방향으로의 응력 집중으로 인해 코팅층 파손 현상이 더 쉽게 일어나서 마모 입자가 많이 발생하게 되고, 이렇게 발생되는 마모 입자로 인해 마찰 마모에 심각한 영향을 끼치게 되는 문제가 있었다.However, as described above, the double coating structure in which the soft material and the hard material are coated together on the surface of the structure exhibits superior tribological wear characteristics to the structure in which the single coating is made of a soft or hard single material. However, The upper coating layer 14 made of a hard material deforms the lower coating layer 12 made of a soft material when the coating surface is deformed by the vertical load applied from the superstructure 20 that is in relative motion with respect to the coating surface Cracks are generated in a portion of the upper coating layer 14 which is in contact with the upper structure 20 and the coating layer is damaged. In particular, in the process of deforming the upper coating layer 14, The coating layer breakage phenomenon is more likely to occur due to the concentration of stress in the direction of the abrasive grains, There was a problem that the abrasion wear was seriously affected.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 탄성 있는 연질 재료로 구성된 하부 코팅층과 경질 재료로 구성된 상부 코팅층이 순차적으로 적층된 이중 코팅 구조에서, 경질 재료로 구성된 상부 코팅층을 수평방향으로 다수의 개별 파트(part)들로 분리하여 어레이(array) 형태로 배열되도록 형성함으로써, 하부 코팅층의 탄성 변형시 상부 코팅층이 하부 코팅층의 탄성 변형에 추종하며 파손 없이 원활히 변형될 수 있고, 탄성 범위 내에서 변형되는 하부 코팅층의 에너지 흡수 및 복원 과정에 의해 마찰 마모 저감 효과를 극대화시킬 수 있는 기능성 코팅 구조 및 코팅 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a double coating structure in which a lower coating layer made of an elastic soft material and an upper coating layer made of a hard material are sequentially stacked An upper coating layer made of a hard material is horizontally divided into a plurality of individual parts so as to be arranged in an array form so that the upper coating layer follows the elastic deformation of the lower coating layer during elastic deformation of the lower coating layer The present invention provides a functional coating structure and coating method capable of maximizing the effect of reducing friction and wear by absorbing and restoring energy of an undercoat layer which is deformed in an elastic range and which can be smoothly deformed without breakage.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조에 있어서, 탄성을 갖는 연질 재료로 구성되며 상기 구조물 표면에 코팅되는 연질코팅층과; 상기 연질코팅층보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성되며 상기 연질코팅층 상부에 코팅되는 경질코팅층;으로 구성되되, 상기 경질코팅층에는 두 구조물 간의 접촉에 따른 연질코팅층의 탄성 변형시 이에 함께 연동하여 상기 경질코팅층의 원활한 탄성 변형이 이루어질 수 있도록 상기 경질코팅층을 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열된 다수의 개별 파트(part)들로 분리하는 기능성 분리공간이 형성된 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a functional coating structure for friction and wear reduction between two structures contacting and relatively moving in contact with each other. The functional coating structure includes a flexible coating layer formed of a flexible material having elasticity, and; The hard coating layer is composed of a hard material having a hardness higher than that of the soft coating layer and is coated on the soft coating layer. The soft coating layer is interlocked with the soft coating layer due to the contact between the two structures, The hard coating layer is formed in a functional separation space having a predetermined cross-sectional shape and separating into a plurality of individual parts arranged in an array form so that the elastic coating can be smoothly deformed.

여기서, 상기 연질코팅층과 경질코팅층 사이에는 이들 사이를 접합시키기 위한 접합층(binding layer)이 추가적으로 형성될 수 있다.Here, a bonding layer for bonding between the soft coating layer and the hard coating layer may be additionally formed.

이때, 상기 접합층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 재질로 구성될 수 있다.At this time, the bonding layer may be made of silver (Ag) or aluminum (Al).

그리고, 상기 기능성 분리공간에 의해 분리되는 다수의 개별 파트들은 종단면 형상이 사다리꼴 단면 형태를 갖도록 형성될 수 있다.The plurality of individual parts separated by the functional separation space may be formed so that the longitudinal section shape has a trapezoidal sectional shape.

이때, 상기 개별 파트들의 횡단면 형상은 허니컴(honeycomb) 모양을 갖도록 형성될 수 있다.At this time, the cross-sectional shape of the individual parts may be formed to have a honeycomb shape.

이 밖에, 상기 개별 파트들의 횡단면 형상은 원형 모양 또는 정사각형 모양을 갖도록 형성될 수 있다.In addition, the cross-sectional shape of the individual parts may be formed to have a circular shape or a square shape.

한편, 상기 연질코팅층의 재질은 CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 비정질 카본(amorphous carbon) 중에서 선택된 하나의 연질 재료로 구성될 수 있다.The soft coating layer may be formed of a soft material selected from CNT (Carbon Nano Tube), CNT, a mixture of PEO (poly ethylene oxide), and amorphous carbon.

또한, 상기 경질코팅층의 재질은 비정질 실리콘(amorphous silicon), DLC(Diamond-Like Carbon) 중에서 선택된 하나의 경질 재료로 구성될 수 있다.Also, the hard coating layer may be made of one hard material selected from amorphous silicon and diamond-like carbon (DLC).

또한, 상기 연질코팅층은 스핀 코팅(spin coating) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 형성될 수 있다.The soft coating layer may be formed by a spin coating process or a sputtering process.

이와 함께, 상기 경질코팅층은 스퍼터링 또는 이온빔 증착(ion-beam deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, the hard coating layer may be formed through a sputtering or ion-beam deposition process.

또한, 상기 접합층은 스퍼터링 또는 무전해 도금(electroless plating) 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, the bonding layer may be formed through a sputtering or electroless plating process.

아울러, 상기 경질코팅층을 구성하는 개별 파트들은 리소그래피(Lithography)에 의한 경질코팅층의 식각(etching) 공정을 통해 형성되거나, 또는 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 등의 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, the individual parts constituting the hard coating layer may be formed through an etching process of a hard coating layer by lithography, or may be formed through a process such as FIB (Focused Ion Beam) or laser or mechanical cutting have.

한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법에 있어서, (a)기능성 표면을 형성할 구조물 표면에 탄성을 갖는 연질 재료로 구성된 연질코팅층을 형성하는 단계와; (b)상기 연질코팅층 위에 상기 연질코팅층보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성된 경질코팅층을 형성하는 단계와; (c)상기 경질코팅층이 소정의 단면 형상을 갖는 다수의 개별 파트(part)들로 분리될 수 있도록 상기 경질코팅층에 소정의 패턴 모양을 갖는 기능성 분리공간을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a functional coating method for friction and wear reduction between two structures relatively moving with respect to each other, the functional coating method comprising the steps of: (a) Forming a soft coating layer composed of a soft magnetic layer; (b) forming a hard coat layer on the soft coat layer, the hard coat layer being composed of a hard material having a hardness higher than that of the soft coat layer; (c) forming a functional separation space having a predetermined pattern shape on the hard coat layer so that the hard coat layer can be separated into a plurality of individual parts having a predetermined cross-sectional shape do.

여기서, 상기 (a)와 (b) 단계 사이에는 상기 연질코팅층과 경질코팅층 사이를 접합시키기 위한 접합층(binding layer) 형성 단계가 더 포함될 수 있다.Between the steps (a) and (b), a binding layer may be formed between the soft coating layer and the hard coating layer.

그리고 상기 (a) 단계에서 상기 연질코팅층은 스핀 코팅(spin coating) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 형성될 수 있다.In the step (a), the soft coating layer may be formed by a spin coating process or a sputtering process.

또한, 상기 (b) 단계에서 상기 경질코팅층은 스퍼터링 또는 이온빔 증착(ion-beam deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다.In the step (b), the hard coating layer may be formed by sputtering or ion-beam deposition.

아울러, 상기 접합층은 스퍼터링 또는 무전해 도금(electroless plating) 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, the bonding layer may be formed through a sputtering or electroless plating process.

그리고, 상기 (c) 단계에서 상기 경질코팅층을 구성하는 단위 파트들은 리소그래피(Lithography) 공정에 의한 경질코팅층의 식각(etching)을 통해 형성될 수 있다.In the step (c), the unit parts constituting the hard coating layer may be formed through etching of the hard coating layer by a lithography process.

또한, 상기 (c) 단계에서 상기 경질코팅층을 구성하는 단위 파트들은 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 공정을 통해 형성될 수 있다.In addition, in the step (c), the unit parts constituting the hard coating layer may be formed by FIB (Focused Ion Beam), a laser or a mechanical cutting process.

한편, 상기 (a) 단계의 연질코팅층은 CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 비정질 카본(amorphous carbon) 중에서 선택된 하나의 연질 재료가 사용될 수 있다.Meanwhile, one soft material selected from carbon nanotube (CNT), a mixture of CNT and poly ethylene oxide (PEO), and amorphous carbon may be used as the soft coating layer in step (a).

그리고, 상기 (b) 단계의 경질코팅층은 비정질 실리콘(amorphous silicon), DLC(Diamond-Like Carbon) 중에서 선택된 하나의 경질 재료가 사용될 수 있다.The hard coating layer in step (b) may be a hard material selected from amorphous silicon and diamond-like carbon (DLC).

또한, 상기 접합층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 재질이 사용될 수 있다.The bonding layer may be made of silver (Ag) or aluminum (Al).

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 연질 재료로 구성된 연질코팅층과 경질 재료로 구성된 경질코팅층이 순차적으로 적층된 이중 박막 코팅 구조에 있어서, 경질 재료로 구성된 경질코팅층을 수평방향으로 다수의 독립적인 파트(part)들로 분리하여 어레이(array) 형태로 배열시킨 기능성 표면 구조로 형성함으로써, 연질코팅층의 탄성 변형시 경질코팅층이 연질코팅층의 탄성 변형을 추종하며 파손 없이 원활히 변형될 수 있기 때문에 탄성 범위 내에서 변형되는 연질코팅층의 에너지 흡수 및 복원 과정에 의해 마찰 마모 저감 효과를 한층 극대화시킬 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, in the dual thin film coating structure in which the soft coating layer composed of a soft material and the hard coating layer composed of a hard material are sequentially laminated, a hard coating layer made of a hard material is horizontally divided into a plurality of independent parts the hard coating layer follows the elastic deformation of the soft coating layer during the elastic deformation of the soft coating layer and can be smoothly deformed without breakage, It is possible to maximize the effect of reducing the friction and wear by the energy absorbing and restoring process of the soft coating layer which is deformed in the step of FIG.

또한, 경질코팅층을 구성하는 각 파트들의 측면부를 내측 방향으로 비스듬하게 경사진 형태로 형성함으로써, 상부 구조물과의 접촉시 각 파트의 상부에 작용하는 압력을 하부로 용이하게 분산시킬 수 있고, 경질코팅층의 변형 과정에서 각 파트들 간의 간섭을 최소화하면서 각 파트들 간의 간격을 좁혀 보다 촘촘한 패턴구조를갖는 경질코팅층 설계가 가능한 장점이 있다. In addition, by forming the side portions of the respective parts constituting the hard coating layer so as to be inclined obliquely inwardly, the pressure acting on the upper part of each part can be easily dispersed to the lower part when the upper part contacts with the upper structure, It is possible to design a hard coating layer with a narrower pattern structure by narrowing the interval between the parts while minimizing the interference between the parts in the process of deforming the hard coating layer.

아울러, 상,하부 구조물의 접촉에 따라 마모입자가 발생하여도 경질코팅층의 각 파트들 사이에 형성된 기능성 분리공간으로 마모시 발생한 마모입자를 포집할 수 있기 때문에, 마모입자 발생으로 인한 구조물 표면의 마찰력 및 마모율 증가 우려를 해소시킬 수 있다 .In addition, even if abrasive particles are generated due to contact between the upper and lower structures, the abrasion particles generated during abrasion can be trapped by the functional separation space formed between the respective parts of the hard coating layer. Therefore, And the fear of increasing the wear rate can be solved.

도 1은 종래의 연질 재료를 이용한 단독 코팅 구조와 연질 재료 및 경질 재료를 이용한 이중 코팅 구조의 효과를 비교 도시한 개념도
도 2는 기판 표면에 마찰을 발생시킨 후 제거하였을 때, 연질 재료 또는 경질 재료로 단독 코팅된 경우와 연질 및 경질 재료가 함께 코팅된 경우에 대한 마찰 마모 효과를 비교 도시한 개념도.
도 3은 종래의 연질 및 경질 재료가 함께 코팅된 복합 코팅 구조에서 연질코팅층의 탄성 변형에 따른 경질코팅층의 크랙(crack) 발생 현상을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 일실 시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조를 도시한 단면도.
도 5는 도 4의 평면도.
도 6은 연질코팅층의 탄성 변형시 경질코팅층이 연동하여 변형되는 과정에서 경질코팅층에 형성된 기능성 분리공간으로 인해 수평방향으로의 응력이 감소되어 마찰 마모가 저감되는 모습을 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 기능성 코팅 구조를 형성하기 위한 공정을 순차적으로 도시한 공정도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 기능성 코팅 구조의 또 다른 적용 가능한 형상을 예시한 예시도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram showing a comparison between the effects of a single coating structure using a conventional soft material and a dual coating structure using a soft material and a hard material;
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a comparison between the case where the substrate is coated with the soft material or the hard material alone and the case where the soft and hard materials are coated together when the substrate surface is removed after the friction is generated.
FIG. 3 is a conceptual view showing cracking of a hard coating layer due to elastic deformation of a soft coating layer in a composite coating structure in which conventional soft and hard materials are coated together. FIG.
4 is a cross-sectional view illustrating a functional coating structure for reducing frictional wear according to an embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a plan view of Fig. 4; Fig.
6 is a conceptual view showing a state in which the stress in the horizontal direction is reduced due to the functional separation space formed in the hard coating layer during the deformation of the hard coating layer during the elastic deformation of the soft coating layer, thereby reducing the friction wear.
7 is a process chart sequentially showing a process for forming a functional coating structure according to the present invention.
Figures 8 and 9 illustrate another applicable shape of a functional coating structure according to the present invention;

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 서로 접촉한 상태에서 상대운동을 하는 두 구조물 간의 내마모 특성을 개선하기 위한 기술로서, 종래와 같이 소재 자체의 물성(예를 들어, 경도)에 근거한 구조물 표면의 강성 제어 기술에서 탈피하여 구조물 표면의 구조적 형상에 근거한 강성 제어 방법을 제시한다.The present invention relates to a technique for improving wear resistance characteristics between two structures performing relative motion in a state of being in contact with each other, and it is possible to avoid the rigidity control technique of the surface of the structure based on the physical properties (for example, hardness) Stiffness control method based on the structural shape of the structure surface is presented.

일반적으로 두 구조물이 접촉할 때 발생하는 압력(하중)이 소재 자체의 경도를 넘어서게 되면 접촉되는 구조물의 표면에서 파손이 일어나게 되는데, 이러한 파손은 기존과 같이 고경도 소재의 사용만으로는 해결할 수 없다. 모든 구조물의 표면은 일정한 거칠기를 가지고 있으며 국부적으로 미세한 돌기 구조를 형성하고 있기 때문에 구조물 간의 접촉시 해당 부위에 압력이 집중되는 것은 필연적인 현상이다. 그러나, 두 구조물 사이의 접촉 압력을 일정 수준 이하로 유지할 수 있다면 접촉 표면은 탄성 변형 영역 내에서 거동하게 되어 궁극적으로는 마모가 거의 일어나지 않는 상태로 만들 수 있다. Generally, when the pressure (load) generated when two structures contact with each other exceeds the hardness of the material itself, the damage occurs on the surface of the structure to be contacted. Such damage can not be solved only by using high hardness material. Since the surface of all structures has a uniform roughness and locally fine protrusions are formed, it is inevitable that pressure is concentrated on the corresponding portions when the structures are in contact with each other. However, if the contact pressure between the two structures can be kept below a certain level, the contact surface will behave in the region of the elastic deformation, and ultimately can be made in a state where there is little wear.

이와 같은 전제조건을 만족시키기 위하여 본 발명은 구조물 표면에 연질코팅층(soft material coating layer)과 경질코팅층(hard material coating layer)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진 이중 박막 코팅 구조에 있어서, 경질 재료로 구성된 경질코팅층을 수평방향으로 다수의 개별 파트(part)들로 분리하여 어레이(array) 형태로 배열시킨 구조적 형상을 갖도록 형성함으로써, 연질코팅층의 탄성 변형시 경질코팅층이 연질코팅층의 탄성 변형에 따라 함께 거동하며 원활히 변형될 수 있도록 하고 탄성 범위 내에서 변형되는 연질코팅층의 에너지 흡수 및 복원 과정에 의해 마찰 마모 저감 효과를 향상시킬 수 있는 기능성 코팅 구조 및 코팅 방법을 제시한다.In order to satisfy such a precondition, the present invention provides a dual thin film coating structure comprising a structure in which a soft material coating layer and a hard material coating layer are sequentially laminated on the surface of a structure, The hard coat layer is formed so as to have a structural shape in which the hard coat layer is arranged in an array form by dividing the hard coat layer into a plurality of individual parts in the horizontal direction, whereby the hard coat layer under the elastic deformation of the soft coat layer behaves together with the elastic deformation of the soft coat layer And a functional coating structure and coating method capable of improving the effect of reducing friction and wear by energy absorbing and restoring process of a soft coating layer deformed within an elastic range.

도 4는 본 발명의 일실 시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 구조물 표면의 기능성 코팅 구조를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4를 상부에서 바라본 모습을 도시한 평면도이다. 그리고, 도 6은 두 구조물 간의 접촉시 연질코팅층의 탄성 변형과 함께 연동하여 경질코팅층이 변형되는 모습을 보여주는 개념도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a functional coating structure on the surface of a structure for reducing friction and wear according to one embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a plan view showing the top view of FIG. 6 is a conceptual view showing a state in which the hard coating layer is deformed by interlocking with the elastic deformation of the soft coating layer upon contact between the two structures.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조는 MEMS(micro electro mechanical systems) 장치에 있어서 서로 접촉한 상태에서 상대운동하는 두 MEMS 구조물의 접촉 표면에서 발생되는 마찰 마모를 줄이기 위한 기능성 코팅 구조로 사용된다. 4 to 6, a functional coating structure for reducing friction and wear according to an exemplary embodiment of the present invention includes a contact surface of two MEMS structures that are relatively moving in contact with each other in a MEMS (micro electro mechanical systems) Which is used as a functional coating structure for reducing the friction wear generated in the coating layer.

구체적으로, 본 발명에 따른 기능성 코팅 구조는, 탄성을 갖는 연질 재료로 구성되며 판 형상을 갖는 하부 구조물(110) 표면에 코팅되는 연질코팅층(120)과, 상기 연질코팅층(120) 보다 경도가 높은 경질 재료로 구성되며 상기 연질코팅층(120) 상부에 코팅되는 경질코팅층(140)으로 구성된다. Specifically, the functional coating structure according to the present invention includes a soft coating layer 120 formed of a soft material having elasticity and coated on a surface of a lower structure 110 having a plate shape, and a soft coating layer 120 having a hardness higher than that of the soft coating layer 120 And a hard coating layer 140 formed of a hard material and coated on the soft coating layer 120.

상기 연질코팅층(120)은 일정한 탄성력을 갖는 연질 재료(soft material)로 구성된 하부 코팅층으로서, CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 또는 비정질 카본(amorphous carbon) 등과 같은 탄성 있는 연질 재료로 구성된다. The soft coating layer 120 is a lower coating layer composed of a soft material having a certain elastic force and is made of an elastic material such as carbon nanotubes (CNT), a mixture of CNT and poly ethylene oxide (PEO), amorphous carbon, Which is made of a soft material.

이와 같은 연질코팅층(120)은 상부 구조물(200)로부터 접촉에 따른 하중이 인가될 경우, 상기 연질코팅층(120)을 구성하는 소재 고유의 탄성 범위 내에서 탄성 변형이 이루어지게 되고, 하중이 제거될 경우 초기 상태로 탄성 복원이 이루어지게 된다. 이와 같은 연질코팅층(120)은 스핀 코팅(spin coating)이나 스퍼터링(sputtering) 등의 공정을 통해 하부 구조물(110) 표면에 코팅될 수 있다.When a load according to the contact is applied from the upper structure 200, the soft coating layer 120 is elastically deformed within the elastic range inherent to the material constituting the soft coating layer 120, and the load is removed Elastic restoration is performed in an initial state. The soft coating layer 120 may be coated on the surface of the lower structure 110 through a process such as spin coating or sputtering.

상기 연질코팅층(120) 위에 형성되는 경질코팅층(140)은 상부 구조물(200)과 직접 접촉되는 코팅층으로서, 상기 연질코팅층(120) 보다 상대적으로 높은 경도를 갖는 경질 재료(hard material)로 구성된다. 이러한 경질코팅층(140)으로 사용가능한 경질 재료는 비정질 실리콘(amorphous silicon)이나 DLC(Diamond-Like Carbon) 등이 적용될 수 있다. The hard coating layer 140 formed on the soft coating layer 120 is a coating layer that is in direct contact with the upper structure 200 and is formed of a hard material having a hardness relatively higher than that of the soft coating layer 120. Amorphous silicon, diamond-like carbon (DLC), or the like may be used as the hard material that can be used as the hard coating layer 140.

이와 같은 경질코팅층(140)은 상부 구조물(200)로부터 하중이 작용될 경우, 탄성 영역 내에서 탄성 변형되는 연질코팅층(120)과 함께 거동하며 탄성 변형된다. 이와 같이 경질 재료로 구성된 경질코팅층(140)이 탄성 변형이 가능하게 되는 이유는, 실리콘(silicon)과 같이 취성이 높은 경질 세라믹 재료라도 얇은 필름 형태로 제작되면 큰 휨 현상이 발생될 수 있는 원리와 같다. 그리고, MEMS 구조물인 상,하부 구조물(200)(110)은 무게가 매우 작기 때문에 상,하부 구조물(200)(110) 간의 접촉으로 인해 발생하는 수직하중의 크기 또한 매우 작다. 따라서, 연질코팅층(120)은 소재가 가지는 고유의 탄성 범위 내에서 탄성 변형이 가능해지고, 경질코팅층(140)은 상기 연질코팅층(120)의 탄성 변형에 수반되어 함께 변형이 가능해진다. 이러한 경질코팅층(140)은 스퍼터링이나 이온빔 증착(ion-beam deposition) 등의 공정을 통해 연질코팅층(120) 표면에 코팅될 수 있다.When a load is applied from the upper structure 200, the hard coating layer 140 behaves and elastically deforms with the soft coating layer 120 that is elastically deformed in the elastic region. The reason why the hard coating layer 140 made of a hard material can be elastically deformed is that when a hard ceramic material having high brittleness such as silicon is produced in a thin film form, same. Since the upper and lower structures 200 and 110, which are MEMS structures, are very small in weight, the magnitude of the vertical load generated due to the contact between the upper and lower structures 200 and 110 is also very small. Therefore, the soft coating layer 120 can be elastically deformed within the elastic range inherent to the material, and the hard coating layer 140 can be deformed together with the elastic deformation of the soft coating layer 120. The hard coating layer 140 may be coated on the surface of the soft coating layer 120 through a process such as sputtering or ion-beam deposition.

한편, 상기 경질코팅층(140)에는 상기 경질코팅층(140)을 수평방향으로 소정의 단면 모양을 갖는 다수 개의 개별 파트(part)(141)들로 분리하게 되는 기능성 분리공간(G)이 형성된다. 이때, 상기 경질코팅층(140)에 배열되는 다수의 개별 파트(141)들은 허니컴(honeycomb) 형태의 횡단면 형상을 가지도록 형성되는데, 이러한 다수의 개별 파트(141)들은 연질코팅층(120) 위에 일정한 이격 간극을 두고 어레이(array) 형태로 배열된다. The hard coating layer 140 is formed with a functional separation space G in which the hard coating layer 140 is divided into a plurality of individual parts 141 having a predetermined cross-sectional shape in the horizontal direction. At this time, the plurality of individual parts 141 arranged in the hard coating layer 140 are formed to have a honeycomb-shaped cross-sectional shape. The plurality of individual parts 141 are formed on the soft coating layer 120, Are arrayed in an array with a gap therebetween.

여기서, 상기 다수의 파트(141)들을 구획하게 되는 기능성 분리공간(G)은 각 파트(141)들 사이에 형성된 틈새 공간으로, 연질 재료로 이루어진 연질코팅층(120)이 탄성 범위 내에서 변형이 이루어질 경우, 경질 재료로 이루어진 경질코팅층(140)이 상기 연질코팅층(120)의 탄성 변형에 수반되어 함께 변형되는 과정에서 각 파트(141)들 간의 간섭을 방지하기 위한 회피공간을 제공한다. 이때, 상기 각 파트(141)들의 측면부(142)는 파트(141)의 내측 방향으로 비스듬하게 경사진 구조를 이루게 되어, 상기 각 파트(141)들의 종단면 형상은 하부로 갈수록 점차 면적이 넓어지는 사다리꼴 형태를 갖도록 형성된다. The functional separation space G for partitioning the plurality of parts 141 is a gap space formed between the parts 141 so that the soft coating layer 120 made of a soft material is deformed within the elastic range The hard coating layer 140 made of a hard material is provided with a clearance space for preventing interference between the parts 141 in the process of being deformed together with the elastic deformation of the soft coating layer 120. At this time, the side portions 142 of the respective parts 141 are inclined obliquely to the inside of the part 141, and the longitudinal sectional shapes of the parts 141 are trapezoidal .

이와 같이 상기 경질코팅층(140)을 구성하는 각 파트(141)들의 측면부(142)를 비스듬하게 경사진 구조로 형성함에 따라, 상부 구조물(200)의 접촉에 의해 각 파트(141) 상단에 작용되는 압력을 하부로 용이하게 분산시킬 수 있고, 연질코팅층(120)의 탄성 변형과 연동한 상기 경질코팅층(140)의 탄성 변형 과정에서 각 파트(141)들 간의 간섭을 최소화하면서 각 파트(141)들 간의 간격을 좁혀 보다 촘촘한 패턴구조를 갖는 경질코팅층 설계가 가능하다. 아울러, 상,하부 구조물(200)(110)의 접촉에 따라 마모입자가 발생하여도 경질코팅층(140)의 각 파트(141)들 사이에 형성된 기능성 분리공간(G)으로 마모시 발생한 마모입자를 포집할 수 있기 때문에, 마모입자 발생으로 인한 구조물 표면의 마찰력 및 마모율 증가를 억제할 수 있다.Since the side portions 142 of the parts 141 constituting the hard coating layer 140 are inclined at an angle to each other, It is possible to easily disperse the pressure to the lower part and minimize the interference between the parts 141 in the process of elastically deforming the hard coating layer 140 interlocked with the elastic deformation of the soft coating layer 120, It is possible to design a hard coating layer having a pattern structure with a finer pattern. Even if abrasive particles are generated due to the contact of the upper and lower structures 200 and 110, the abrasion particles generated during abrasion are formed in the functional separation space G formed between the respective parts 141 of the hard coating layer 140 It is possible to suppress the increase of the frictional force and the wear rate of the surface of the structure due to the generation of the abrasive particles.

상술한 바와 같이, 연질코팅층(120)과 경질코팅층(140)이 순차로 적층된 이중 박막 코팅 구조에 있어서, 최상부의 경질코팅층(140)을 기능성 분리공간(G)에 의해 수평방향으로 분리되어 행렬(matrix) 패턴 모양을 갖도록 배열된 다수의 파트(141)들로 이루어진 기능성 표면 구조로 형성함으로써, 연질코팅층(120)의 탄성 변형에 따른 경질코팅층(140)의 변형시 상기 다수의 파트(141)들 사이에 형성된 기능성 분리공간(G)을 통해 수평방향으로의 유효강성(effective stiffness)을 낮출 수 있기 때문에, 경질코팅층(140)이 파손되지 않으면서 연질코팅층(120)의 변형을 자연스럽게 따라갈 수 있게 함으로써 마찰 마모 저감 효과를 향상시킬 수 있다.As described above, in the dual thin film coating structure in which the soft coating layer 120 and the hard coating layer 140 are sequentially laminated, the uppermost hard coating layer 140 is separated in the horizontal direction by the functional separation space G, the plurality of parts 141 are formed at the time of deformation of the hard coating layer 140 due to the elastic deformation of the soft coating layer 120 by forming the functional surface structure including a plurality of parts 141 arranged to have a matrix pattern shape, Since the effective stiffness in the horizontal direction can be lowered through the functional separation space G formed between the soft coating layer 140 and the soft coating layer 140, the hard coating layer 140 is not damaged and the deformation of the soft coating layer 120 can be naturally followed Whereby the effect of reducing the friction and wear can be improved.

아울러, 상기한 경질코팅층(140)을 하부 구조물(110) 표면에 코팅된 연질코팅층(120) 위에 적층된 구조로 복합 코팅층을 형성하는 경우에, 상기 연질코팅층(120)과 경질코팅층(140)의 접합력을 높일 수 있도록 상,하부 코팅층의 접합 기능을 갖는 접합층(binding layer)(130)이 추가적으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 접합층(130)으로 적용가능한 물질로는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 금속 소재가 사용될 수 있다.When the composite coating layer is formed by laminating the hard coating layer 140 on the soft coating layer 120 coated on the surface of the lower structure 110, the soft coating layer 120 and the hard coating layer 140 A binding layer 130 having a function of bonding the upper and lower coating layers may be additionally formed to increase the bonding strength. At this time, a metal material such as silver (Ag) or aluminum (Al) may be used as the material for the bonding layer 130.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 표면 구조 형성 방법을 순차적으로 설명하는 공정도이다.Meanwhile, FIG. 7 is a process diagram for sequentially illustrating a method of forming a functional coating surface structure for reducing friction and wear according to the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조 제작 방법은, As shown in FIG. 7, the method for fabricating a functional coating structure for reducing friction and abrasion according to the present invention includes:

먼저, 기능성 박막 코팅 표면을 형성할 하부 구조물(110) 위에 탄성 있는 연질 재료를 사용하여 연질코팅층(120)을 형성한다.(a)First, a soft coating layer 120 is formed using an elastic soft material on a substructure 110 on which a functional thin film coating surface is to be formed. (A)

이때, 상기 연질코팅층(120)의 소재로 적용 가능한 물질로는 CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 비정질 카본(amorphous carbon) 등의 탄성력 있는 연질 재료가 적용될 수 있다. 이와 같은 연질코팅층(120)은 스핀 코팅(spin coating)이나 스퍼터링(sputtering) 등의 공정을 이용하여 하부 구조물(110) 표면에 형성될 수 있다. At this time, elastic materials such as carbon nanotubes (CNTs), mixtures of CNTs and poly ethylene oxide (PEO), and amorphous carbon may be used as the material of the soft coating layer 120. The soft coating layer 120 may be formed on the surface of the lower structure 110 by a process such as spin coating or sputtering.

이렇게 하부 구조물(110) 표면에 연질코팅층(120) 형성이 완료된 후, 다음 단계로, 연질코팅층(120)과 그 위에 코팅되는 경질코팅층(140) 사이의 접합력 향상을 위해, 상기 연질코팅층(120) 위에 접합층(Binding layer)(130)을 형성한다. (b)After the formation of the soft coating layer 120 on the surface of the lower structure 110, the soft coating layer 120 is formed on the soft coating layer 120 in order to improve the bonding strength between the soft coating layer 120 and the hard coating layer 140, A binding layer 130 is formed. (b)

이때, 상기 접합층(130)은 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 재료를 스퍼터링이나 무전해 도금(electroless plating) 등의 방법을 이용하여 연질코팅층(120) 위에 형성될 수 있다.At this time, the bonding layer 130 may be formed on the soft coating layer 120 by a method such as sputtering or electroless plating with silver (Ag) or aluminum (Al).

상기 접합층(130) 형성이 완료되면, 이어서, 상기 접합층(130) 위에 경질 재료로 이루어진 경질코팅층(140)을 형성한다. (c)After the formation of the bonding layer 130, a hard coating layer 140 made of a hard material is formed on the bonding layer 130. (c)

이때, 상기 경질코팅층(140)은 비정질 실리콘(amorphous silicon)이나 DLC(Diamond-Like Carbon) 등의 경질 재료를 스퍼터링이나 이온빔 증착(ion-beam deposition) 등의 공정을 이용하여 접합층(130) 위에 형성할 수 있다.The hard coating layer 140 may be formed of a hard material such as amorphous silicon or diamond-like carbon (DLC) on the bonding layer 130 using a process such as sputtering or ion-beam deposition .

상기와 같이 경질코팅층(140) 형성이 완료되면, 마지막 단계로, 상기 경질코팅층(140)에 소정 형태의 기능성 분리공간(G)을 형성하여 소정의 패턴(실시 예에서는 허니컴 패턴) 형상을 갖는 다수의 분리된 파트(141)들로 이루어진 기능성 코팅 표면을 완성한다.(d)After the formation of the hard coating layer 140 as described above, the hard coating layer 140 is formed with a predetermined type of functional separation space G as a final step to form a plurality of functional separation spaces G having a predetermined pattern (honeycomb pattern in this embodiment) To complete the functionalized coating surface consisting of discrete parts 141 of (d)

이때, 상기 경질코팅층(140)에 형성되는 파트(141)의 패턴은 리소그래피(Lithography) 공정에 의한 식각(etching), FIB(Focused Ion Beam), 레이저 또는 기계적 절삭 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.The pattern of the part 141 formed on the hard coating layer 140 may be formed using a lithography process, a FIB (Focused Ion Beam) process, a laser or a mechanical cutting process. have.

이와 같이, 본 발명은 상기와 같은 간단한 MEMS 제작공정을 이용하여 구조물 표면에 마찰 마모 저감 성능이 우수한 기능성 코팅 표면을 제작할 수 있다.As described above, the functional coating surface having excellent abrasion and abrasion-reducing performance on the surface of the structure can be manufactured using the simple MEMS manufacturing process as described above.

한편, 상기와 같은 마찰 마모 저감을 위한 기능성 표면 형성에 있어서, 경질코팅층(140)에 형성되는 각 파트(141)들의 패턴 형상을 전술된 실시 예와 같은 허니컴(honeycomb) 형상 외에 다양한 형상 구조로 설계할 수 있다.Meanwhile, in the formation of the functional surface for reducing the frictional wear, the pattern shapes of the parts 141 formed on the hard coating layer 140 may be designed in various shapes other than the honeycomb shape as in the above- can do.

도 8 및 도 9는 구조물 표면에 기능성 코팅 표면 설계시 상부의 경질코팅층(140)으로 적용 가능한 또 다른 형태를 나열한 것이다. 즉, 두 구조물 간의 접촉에 따른 연질코팅층(120)의 탄성 변형시 이와 함께 거동하는 경질코팅층(140)의 수평방향으로의 유효 강성을 낮추기 위하여, 경질코팅층(140)의 각 파트(141)들의 패턴 형상을 전술된 허니컴 형상 외에, 도 8 및 도 9에 각각 나타낸 원형 및 사각형 형상 등의 다양한 패턴 형상으로 형성함으로써 다양한 작동 환경에서 요구되는 다양한 기능성 표면을 설계하는 것이 가능해진다.Figs. 8 and 9 show another form applicable to the upper hard coating layer 140 when designing the functional coating surface on the structure surface. That is, in order to lower the effective stiffness in the horizontal direction of the hard coating layer 140 acting in conjunction with the elastic coating of the soft coating layer 120 due to the contact between the two structures, the pattern of each part 141 of the hard coating layer 140 It is possible to design various functional surfaces required in various operating environments by forming the shape in various pattern shapes such as circular and rectangular shapes shown in Figs. 8 and 9, in addition to the above-described honeycomb shape.

상술한 바와 같이, 본 발명은 연질재료와 경질재료가 순차적으로 적층된 이중 코팅층 구조에서 상부 구조물과 접촉되는 최상부의 경질코팅층을 일정 좌우 폭을 갖는 기능성 분리공간(G)을 통해 다수의 파트(141)들의 배열 구조로 형성함으로써, 경질코팅층(140)의 탄성 변형시 상기 기능성 분리공간(G)을 통해 경질코팅층(140)의 수평방향으로의 유효 강성을 낮출 수 있고, 이로 인해 상부 구조물(200)의 접촉에 따른 하중이 인가될 경우 하부의 연질코팅층(120)이 탄성 변형을 하는 과정에서 경질코팅층(140)이 파손 없이 연질코팅층(120)의 변형을 따라가도록 하여 경질코팅층(140)은 연질코팅층(120)의 탄성 영역 범위 내에서 에너지 흡수와 복원에 의한 마찰 마모 효과를 극대화시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, the uppermost hard coating layer in contact with the upper structure in the double coating layer structure in which the soft material and the hard material are sequentially laminated is divided into a plurality of parts 141 The effective stiffness in the horizontal direction of the hard coating layer 140 can be lowered through the functional separation space G when the hard coating layer 140 is elastically deformed, The hard coating layer 140 is deformed along the deformation of the soft coating layer 120 without breakage in the process of elastically deforming the soft coating layer 120 when the load due to the contact of the soft coating layer 140 is applied, It is possible to maximize the effect of friction wear due to energy absorption and restoration within the elastic range of the elastic member 120.

또한, 경질코팅층(140)을 구성하는 각 파트(141)들의 측면부(142)를 내측 방향으로 비스듬하게 경사진 형태로 형성함으로써, 상부 구조물(200)과의 접촉시 각 파트(141)의 상부에 작용하는 압력을 하부로 용이하게 분산시킬 수 있고, 경질코팅층(140)의 변형 과정에서 각 파트(141)들 간의 간섭을 최소화하면서 각 파트(141)들 간의 간격을 좁혀 보다 촘촘한 패턴구조를갖는 경질코팅층(140) 설계가 가능한 장점이 있다. The side portions 142 of the parts 141 constituting the hard coating layer 140 are inclined obliquely inwardly so that the upper portions of the upper and lower parts 141, It is possible to easily disperse the working pressure to the lower portion and to narrow the gap between the parts 141 while minimizing the interference between the parts 141 in the process of deforming the hard coating layer 140, There is an advantage that the coating layer 140 can be designed.

아울러, 상,하부 구조물(200)(110)의 접촉에 따라 마모입자가 발생하여도 경질코팅층(140)의 각 파트(141)들 사이에 형성된 기능성 분리공간(G)으로 마모시 발생한 마모입자를 포집할 수 있기 때문에, 마모입자 발생으로 인한 구조물 표면의 마찰력 및 마모율 증가 우려를 해소시킬 수 있고 접촉 표면의 내구성을 높일 수 있다.Even if abrasive particles are generated due to the contact of the upper and lower structures 200 and 110, the abrasion particles generated during abrasion are formed in the functional separation space G formed between the respective parts 141 of the hard coating layer 140 It is possible to eliminate the fear of increasing the frictional force and the wear rate of the surface of the structure due to the generation of the abrasive particles and to improve the durability of the contact surface.

또한, 상술한 바와 같은 마찰 마모 특성을 향상시킬 수 있는 본 발명의 기능성 코팅 구조 기술을 바이오 시스템, 잉크젯 헤드, 압력/가속도 센서, 자이로스코프 등 초정밀 미소기기인 MEMS 분야에 응용할 경우, 기존에 문제 시 되어왔던 MEMS 분야에서의 상대운동에 의한 수명단축 문제를 획기적으로 해결할 수 있다.In addition, when the functional coating structure of the present invention, which can improve the above-described frictional wear characteristics, is applied to a MEMS field such as a biosystem, an inkjet head, a pressure / acceleration sensor, and a gyroscope, The problem of shortening the lifetime due to the relative motion in the MEMS field has been dramatically solved.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Will be possible.

110 : 하부 구조물 120 : 연질코팅층
130 : 접합층 140 : 경질코팅층
141 : 파트(part) 142 : 측면부
200 : 상부 구조물 G : 기능성 분리공간
110: substructure 120: soft coating layer
130: bonding layer 140: hard coating layer
141: part 142: side part
200: superstructure G: functional separation space

Claims (25)

서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조에 있어서,
탄성을 갖는 CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 비정질 카본(amorphous carbon) 중에서 선택된 하나의 연질 재료로 구성되며 상기 구조물 표면에 코팅되는 연질코팅층과;
상기 연질코팅층보다 높은 경도를 갖는 비정질 실리콘(amorphous silicon), DLC(Diamond-Like Carbon) 중에서 선택된 하나의 경질 재료로 구성되며 상기 연질코팅층 상부에 코팅되는 경질코팅층;으로 구성되되,
상기 경질코팅층에는 두 구조물 간의 접촉에 따른 연질코팅층의 탄성 변형시 이에 함께 연동하여 상기 경질코팅층의 원활한 탄성 변형이 이루어질 수 있도록 상기 경질코팅층을 소정의 단면 형상을 가지며 어레이(array) 형태로 배열된 다수의 개별 파트(part)들로 분리하는 기능성 분리공간이 형성되고,
상기 연질코팅층과 경질코팅층 사이에는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 재질로 구성된 접합층(binding layer)이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조
1. A functional coating structure for friction and wear reduction between two structures contacting each other and performing relative movement,
A soft coating layer composed of one flexible material selected from CNT (Carbon Nano Tube) having elasticity, a mixture of CNT and PEO (Poly Ethylene Oxide), and amorphous carbon and coated on the surface of the structure;
And a hard coating layer composed of one hard material selected from amorphous silicon and diamond-like carbon (DLC) having a higher hardness than the soft coating layer and coated on the soft coating layer,
The hard coating layer is provided with a plurality of hard coating layers having a predetermined cross-sectional shape and arranged in an array so that the soft coating layer can smoothly be deformed by interlocking with the elastic coating of the soft coating layer upon contact between the two structures. A functional separation space is formed which separates the individual parts,
And a bonding layer composed of silver (Ag) or aluminum (Al) is formed between the soft coating layer and the hard coating layer.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 기능성 분리공간에 의해 분리되는 다수의 개별 파트들은 종단면 형상이 사다리꼴 단면 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 1, wherein the plurality of individual parts separated by the functional separation space have a trapezoidal cross-sectional shape.
제4항에 있어서, 상기 개별 파트들의 횡단면 형상은 허니컴(honeycomb) 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
5. The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 4, wherein the cross-sectional shape of the individual parts has a honeycomb shape.
제4항에 있어서, 상기 개별 파트들의 횡단면 형상은 원형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure according to claim 4, wherein the cross-sectional shape of the individual parts has a circular shape.
제4항에 있어서, 상기 개별 파트들의 횡단면 형상은 정사각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure according to claim 4, wherein the cross-sectional shape of the individual parts has a square shape.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 연질코팅층은 스핀 코팅(spin coating) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 1, wherein the soft coating layer is formed through a spin coating process or a sputtering process.
제1항에 있어서, 상기 경질코팅층은 스퍼터링 또는 이온빔 증착(ion-beam deposition) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 1, wherein the hard coating layer is formed by sputtering or ion-beam deposition.
제1항에 있어서, 상기 접합층은 스퍼터링 또는 무전해 도금(electroless plating) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure according to claim 1, wherein the bonding layer is formed through a sputtering or electroless plating process.
제1항에 있어서, 상기 경질코팅층을 구성하는 개별 파트들은 리소그래피(Lithography)에 의한 상기 경질코팅층의 식각(etching) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 1, wherein the individual parts constituting the hard coating layer are formed through an etching process of the hard coating layer by lithography.
제1항에 있어서, 상기 경질코팅층을 구성하는 개별 파트들은 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 등의 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 구조.
The functional coating structure for reducing friction and wear according to claim 1, wherein the individual parts constituting the hard coating layer are formed through processes such as FIB (Focused Ion Beam), laser or mechanical cutting.
삭제delete 서로 접촉하며 상대 운동하는 두 구조물 사이의 마찰 및 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법에 있어서,
(a) 기능성 표면을 형성할 구조물 표면에 탄성을 갖는 연질 재료로 구성된 연질코팅층을 형성하는 단계와;
(b) 상기 연질코팅층 위에 상기 연질코팅층보다 높은 경도를 갖는 경질 재료로 구성된 경질코팅층을 형성하는 단계와;
(c) 상기 경질코팅층이 소정의 단면 형상을 갖는 다수의 개별 파트(part)들로 분리될 수 있도록 상기 경질코팅층에 소정의 패턴 모양을 갖는 기능성 분리공간을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 (a)와 (b) 단계 사이에 상기 연질코팅층과 경질코팅층 사이를 접합시키기 위한 접합층(binding layer)을 형성하는 단계가 더 포함하며,
상기 (a) 단계의 연질코팅층은 CNT(Carbon Nano Tube), CNT와 PEO(Poly Ethylene Oxide) 혼합물, 비정질 카본(amorphous carbon) 중에서 선택된 하나의 연질 재료가 사용되고,
상기 (b) 단계의 경질코팅층은 비정질 실리콘(amorphous silicon), DLC(Diamond-Like Carbon) 중에서 선택된 하나의 경질 재료가 사용되며,
상기 접합층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 재질로 사용되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.
1. A functional coating method for friction and abrasion between two structures contacting each other and performing relative movement,
(a) forming a soft coating layer composed of a soft material having elasticity on a surface of a structure to form a functional surface;
(b) forming a hard coat layer on the soft coat layer, the hard coat layer being composed of a hard material having a hardness higher than that of the soft coat layer;
(c) forming a functional separation space having a predetermined pattern shape in the hard coating layer so that the hard coating layer can be separated into a plurality of individual parts having a predetermined cross-sectional shape,
Further comprising the step of forming a bonding layer between the soft coating layer and the hard coating layer between the steps (a) and (b)
In the step (a), one soft material selected from carbon nanotube (CNT), a mixture of CNT and poly ethylene oxide (PEO), and amorphous carbon is used.
In the step (b), one hard material selected from amorphous silicon and diamond-like carbon (DLC) is used as the hard coating layer,
Wherein the bonding layer is made of silver (Ag) or aluminum (Al).
삭제delete 제16항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 연질코팅층은 스핀 코팅(spin coating) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.
[17] The method of claim 16, wherein the soft coating layer is formed by spin coating or sputtering in the step (a).
제16항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 경질코팅층은 스퍼터링 또는 이온빔 증착(ion-beam deposition) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.
17. The method of claim 16, wherein the hard coating layer is formed by sputtering or ion-beam deposition in the step (b).
제16항에 있어서, 상기 접합층은 스퍼터링 또는 무전해 도금(electroless plating) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.
17. The method of claim 16, wherein the bonding layer is formed through a sputtering or electroless plating process.
제16항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 경질코팅층을 구성하는 개별 파트들은 리소그래피(Lithography)에 의한 경질코팅층의 식각(etching) 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.
[17] The method of claim 16, wherein the individual parts constituting the hard coating layer in step (c) are formed through an etching process of a hard coating layer by lithography. Way.
제16항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 경질코팅층을 구성하는 개별 파트들은 FIB(Focused Ion Beam)나 레이저 또는 기계적 절삭 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 마모 저감을 위한 기능성 코팅 방법.

[17] The method of claim 16, wherein the individual parts constituting the hard coating layer in step (c) are formed through FIB (Focused Ion Beam), laser or mechanical cutting process.

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